Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

Na corrida para construir um computador quântico prático, os cientistas enfrentam um paradoxo persistente. Para realizar cálculos, eles devem controlar bits quânticos delicados, ou qubits, com extrema precisão. No entanto, o próprio ato de controlá-los frequentemente introduz o ruído que destrói a informação que eles contêm. Esse ruído geralmente vem do ambiente na forma de flutuações elétricas de baixa frequência, um zumbido de fundo que é quase impossível de eliminar em materiais de estado sólido. Durante anos, pesquisadores tentaram blindar seus qubits dessa interferência, muitas vezes projetando-os para serem menos sensíveis à carga. No entanto, essa abordagem geralmente tem um custo: torna os qubits mais lentos para controlar ou mais difíceis de conectar uns aos outros. O desafio tem sido encontrar uma maneira de proteger a informação quântica desse ruído de baixa frequência sem sacrificar a velocidade e a conectividade necessárias para a computação complexa.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, e instituições colaboradoras encontrou uma solução inteligente ao mudar a forma como acionam o sistema. Em vez de tentar bloquear o ruído ou tornar os qubits completamente imunes, eles usaram um acionamento elétrico forte e rápido para efetivamente travar os qubits no lugar, uma técnica conhecida como spin-locking. Eles demonstraram isso usando um tipo específico de circuito supercondutor chamado oscilador de Kerr, que atua como um bit quântico. Ao aplicar um acionamento de carga em uma frequência ligeiramente abaixo de um gigahertz, descobriram uma propriedade única: o circuito torna-se quase cego ao ruído lento de baixa frequência que normalmente causa erros, permanecendo altamente responsivo aos sinais de acionamento rápidos necessários para as operações. Essa abordagem permitiu que eles resetassem seus bits quânticos em apenas 82 nanossegundos, resfriando-os para um estado com menos de 0,7 por cento da energia indesejada que normalmente permanece nesses sistemas. Além disso, ao codificar um único bit lógico através de dois desses osciladores, criaram um qubit de trilho duplo (dual-rail) que é naturalmente enviesado para um tipo específico de erro. Isso significa que, quando um erro ocorre, é muito mais provável que seja uma eliminação (erasure) detectável do que uma corrupção silenciosa de dados, uma distinção que torna a correção de erros significativamente mais fácil.

O cerne deste avanço reside em como a frequência do sinal de acionamento interage com o circuito. Os pesquisadores descobriram que a sensibilidade do seu oscilador quântico ao ruído de carga não permanece constante; em vez disso, ela cresce rapidamente à medida que a frequência do acionamento aumenta. Especificamente, a sensibilidade escala com o quadrado tanto da frequência quanto da força do acionamento. Essa relação é crucial porque o ruído prejudicial em seu ambiente segue um padrão onde as frequências baixas são muito mais fortes do que as altas. Ao acionar o sistema em uma frequência próxima de um gigahertz, os pesquisadores empurraram o sistema para um regime onde ele é fortemente acoplado aos seus sinais de controle, mas permanece notavelmente insensível ao ruído de baixa frequência que normalmente assola esses dispositivos. Eles verificaram isso medindo como os níveis de energia do oscilador se deslocavam sob diferentes condições de acionamento, observando que o deslocamento aumentava quadraticamente com os parâmetros de acionamento. Isso confirmou que o sistema estava efetivamente filtrando as flutuações lentas e disruptivas, enquanto permanecia aberto aos comandos rápidos e úteis.

Para provar que esse conceito funciona na prática, a equipe focou primeiro na tarefa fundamental de resetar o bit quântico. Na computação quântica, começar com uma folha limpa é essencial, mas a energia térmica frequentemente deixa o sistema em um estado misto. Usando o acionamento de carga de baixa frequência, eles conseguiram trocar rapidamente a energia do bit quântico para um ressonador com perda, efetivamente descartando o calor. Esse processo levou apenas 8gen 82 nanossegundos e reduziu a população de estados excitados para menos de 0,7 por cento. Este resultado foi significativo porque foi inferior ao equilíbrio térmico natural do sistema, que estava em 2,5 por cento. A velocidade e a eficiência deste reset demonstraram que o acionamento pode manipular o sistema com alta fidelidade sem introduzir os erros excessivos que frequentemente acompanham operações tão rápidas.

Construindo sobre isso, os pesquisadores codificaram um qubit lógico usando dois desses osciladores, criando o que é conhecido como um qubit de trilho duplo (dual-rail). Nesta configuração, a informação é armazenada na presença de um único fóton compartilhado entre os dois circuitos. Se um dos circuitos perder seu fóton, o sistema cai em um estado fundamental que é facilmente detectável, em vez de embaralhar a informação em um estado desconhecido. Esta propriedade, chamada de viés de eliminação (erasure bias), é altamente desejável porque transforma um erro difícil de detectar em uma falha conhecida que pode ser descartada ou corrigida. A equipe mostrou que seu esquema de proteção dinâmica aumentou este viés por um fator de quatro. Quando realizaram sequências aleatórias de operações lógicas, conhecidas como portas de Clifford, a taxa de erro por porta foi medida em 5,6 × 10⁻⁴. Após filtrar as execuções onde uma eliminação foi detectada, a taxa de erro caiu ainda mais para 1,5 × 10⁻⁴. Esses números foram alcançados com tempos de porta de apenas 25 nanossegundos, indicando que o mecanismo de proteção não retarda a computação.

O sucesso deste experimento sugere que o compromisso entre proteção contra ruído e velocidade operacional pode ser superado ao explorar a dependência de frequência da resposta do sistema. Os pesquisadores observaram que, embora a taxa de erro bruta seja atualmente limitada pela vida útil natural dos osciladores, o potencial de melhoria é substancial. Eles apontaram que a configuração atual usa apenas uma verificação ao final de uma sequência para detectar eliminações. Ao adicionar um terceiro oscilador para atuar como um ancila para verificações no meio do circuito, eles esperam que as taxas de erro caiam ainda mais, potencialmente resolvendo eventos onde o sistema decai e depois aquece novamente. Este trabalho fornece um caminho claro para o uso de acionamentos de carga sub-gigahertz para proteger a informação quântica, oferecendo um método robusto para construir processadores quânticos de alta fidelidade que podem operar efetivamente no ambiente ruidoso de um chip de estado sólido. As descobertas confirmam que a proteção dinâmica não é apenas uma possibilidade teórica, mas uma ferramenta prática que pode ser integrada às arquiteturas supercondutoras existentes para aumentar seu desempenho e confiabilidade.